CN102692278A - 高速气流光纤总温传感器及其测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量高速气流总温的光纤总温传感器及其测温系统。在传感器的外面加装一圆筒形滞止室(11)，气流从进气口(12)进入滞止室(11)，在滞止室(11)中受到第一次阻滞，流速下降，气流的动能受到第一次转换，在滞止室(11)内，低速流动的气流又受到光纤探针(13)的第二次阻滞，使气流的大部分动能转换成热能，最终在出气口(16)流出。设计了科学合理的气流滞止室，将黑体腔光纤安放在滞止室内做成光纤总温传感器。气流总温测试系统采用两个不同波长的光纤布拉格光栅作为滤波器，利用比色测温原理对气流总温进行测量。

Description

高速气流光纤总温传感器及其测温系统

技术领域

本发明涉及高速气流光纤总温传感器及其测温系统。

背景技术

在航空、航天等科技研究、生产、试验和应用过程中，温度是需要测试的基本参量之一。特别是航空发动机在研制过程中，需要测量进气道、燃烧室、燃烧室等位置的气流总温；导弹和火箭等航天器上也需要用温度传感器来测量其发动机的气流温度，温度参数对发动机的性能及工作效率有着重要的影响。因此航空发动机的温度测量不但要求更加准确，还需要获得整个温度场的瞬态变化信息，同时要考虑气流对温度传感器的影响。这就对测量发动机总温的方法及温度传感器的性能，测温范围及温度精确度提出了新的要求。

光纤温度传感器同热电偶相比，在温度测量中有着很大的优点，光纤温度传感器具有传统热电偶温度计所不及的高温稳定性。随着光纤技术的迅速发展，研究和开发精确度高、性能稳定、成本低的光纤总温传感器具有广阔的应用前景。

20世纪80年代，比色测温技术开始兴起，该技术利用两种波长信号比较的方法很好地消除了发射率及环境的影响，有效地提高了测温精度，在生产、科学研究等方面有着广泛的应用。尤其是航空发动机的气流总温测试时，被测量目标为高速流动的燃料、空气及爆轰产物的气、固、液多相混合物，其组成成分及发射率随时间迅速变化，采用单色辐射测温法和全辐射测温法会给测温精度带来很大的误差，应用比色测温技术能够较好地减少目标发射率对测温精度的影响，从而得到被测目标的温度。

发明内容

本发明专利提出一种高速气流光纤总温传感器及其测温系统。

一种用于测量高速气流总温的光纤总温传感器，在传感器的外面加装一圆筒形滞止室(11)，气流从进气口(12)进入滞止室(11)，在滞止室(11)中受到第一次阻滞，流速下降，气流的动能受到第一次转换，在滞止室(11)内，低速流动的气流又受到光纤探针(13)的第二次阻滞，使气流的大部分动能转换成热能，最终在出气口(16)流出。在气流总温测量中，为了提高温度恢复系数，减小速度误差，设计了带滞止罩的光纤总温传感器。由于在光纤传感器的的外面加装了一个屏蔽滞止罩，形成一个阻滞室，气流进人滞止罩后，经过滞止罩和光纤探针的两次滞止后，使得气流的大部分动能转换成热能。从而有效的提高了整个传感器的温度恢复系数。并能在被测气流速度波动的一定范围内保持提高复温系数值不变或变化极小。

所述的光纤总温传感器，滞止室(11)的外径为12mm，内径为10mm，长度为52mm；在距滞止室(11)顶端3mm处，开有圆形进气口(12)，进气口(12)半径大小为10mm。传感器的出气口(16)位于滞止室(11)直径方向正对进气口(12)的另一端，距滞止室(11)顶端20mm，半径大小为5mm；底塞15顶端距滞止室(11)顶端的距离为25mm；光纤探针(13)直径0.9mm，距离滞止室(11)顶端的距离为20mm。

所述的气流总温测试系统，光纤探针(13)的外面有一层蓝宝石保护管(17)，蓝宝石保护管(17)和传感器底塞(15)是通过螺纹(14)固定。

所述的光纤总温传感器，通过脉冲激光溅射沉积法对光纤探针(13)前端进行镀膜，制作成光纤黑体腔；利用脉冲激光溅射沉积镀膜系统对光纤前端进行镀膜。由于脉冲激光具有高能量密度，使得激光溅射沉积方法可以蒸发金属、陶瓷等多种材料，解决难熔材料的薄膜沉积问题，在脉冲激光溅射沉积镀膜系统内部将光纤前端制备成黑体腔。由于沉积室的高真空度或者纯度，加上灵活的换靶装置，使制备多元素膜、多层膜、复合膜和实现膜的掺杂非常方便。

所述光纤总温传感器的气流总温测试系统，所述光纤总温传感器接收的光谱经过传输光纤的传递到达第一三端环形器的1→2端口耦合到FBG1的入射端，FBG1的反射光波由第一三端环形器的2→3端口将波长为λ₁的光传输到光电探测器(1)，进行光电转换；同样，FBG1的透射光谱由第二三端环形器的1→2端口传输到FBG2的入射端，由FBG2产生的反射光波波长为λ₂，该反射光波经过第二三端环形器的2→3端口到达光电探测器(2)，这两个光电探测器完成光电转换得到两种不同波长的电信号，两个不同波长的电信号经过信号处理电路经比色测温后，得到所测的温度值。采用光纤布拉格光栅代替传统的滤光片，实现两种不同波长的窄带滤波，由光纤三端环形器将光波传输到光电探测器，经光电转换得到两种不同波长的电信号，电信号经过信号处理电路处理后，利用比色法进行测温。设计了科学合理的气流滞止室，将黑体腔光纤安放在滞止室内做成光纤总温传感器。气流总温测试系统采用两个不同波长的光纤布拉格光栅作为滤波器，利用比色测温原理对气流总温进行测量。

所述的气流总温测试系统，所述比色测温的方法为：

设温度为T的高温物体在波长为λ₁，λ₂下的单色辐射出射度分别为M(λ₁，T)，M(λ₁，T)，则波长λ₁，λ₂处辐射功率的比值R(T)：

$R\left(T\right)=\frac{M({\mathrm{\λ}}_1,T)}{M({\mathrm{\λ}}_2,T)}=\frac{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_1,T)}{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_2,T)}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}\right)}^5\exp \left[\frac{C_2}{T}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})\right]---\left(3\right)$

当假设两波长的光谱发射率ε(λ₁，T)≈ε(λ₂，T)时，

$R\left(T\right)={\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}\right)}^5{e}^{\frac{C_2}{T}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})}---\left(4\right)$

此时测得的温度就叫做比色温度T_c，物体的真实温度T与比色温度T_c的误差为：

$\frac{1}{T}-\frac{1}{T_c}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{C_2({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}\ln \left(\frac{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_1,T)}{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_2,T)}\right)---\left(5\right)$

在已知两波长的情况下，知道R(T)就能得到比色温度T_c，再经发射率修正就可以知道物体的实际温度。

改进了基于激光加热基座法的拉制单晶光纤的光学系统，克服其光路复杂，调整困难的缺点。提出一种操作简单，又能形成环形加热源的激光加热系统。系统采用椭球反光镜关键部件，利用椭球反光镜的共轭双焦点特性，设计出简单、高效的光路系统，形成环形均匀热源拉制单晶光纤。

本发明的有益效果：从目前的情况来看，关于高速气流的总温测量，用的都是总温热电偶。然而高速气流如发动机喷流流场总温、总压比较高，产生的固体颗粒在高速喷射状态下对总温热电偶的损坏比较大。并且热电偶存在热电势，热电势率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感等缺点。同热电偶相比，光纤温度传感器具有传统热电偶温度计所不及的高温稳定性。同样尺寸的黑体式光纤传感器其热传导损耗较小，光纤辐射损耗也较低，并且光纤传感器的响应时间也比热电偶短的多，在温度测量中有着很大的优点，随着光纤技术的迅速发展，在高速气流的总温测量领域，研究和开发精确度高、性能稳定、成本低的光纤总温传感器具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为发明的气流光纤总温测试系统图；

图2光纤制备系统图；

图2中1-CO₂激光器，2-氦氖激光器，3-半透半反镜，4-平面反射镜，5-凸面反射镜，6-凹面反射镜，7、10-受步进电机控制的两个夹具，8-单晶光纤和源棒，9椭球反光镜。

图3为脉冲激光溅射沉积光纤镀膜结构图；

图4为光纤传感器黑体腔结构；

图5为发明的光纤总温传感器结构示意图；

图5中11-滞止室，12-进气口，13-光纤探针，14-螺纹，15-底塞，16-出气口，17-蓝宝石保护管；

图6为光纤布拉格光栅的滤波工作原理图；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例介绍光纤总温传感器的光纤探头制备系统。它包括光纤的拉制和镀膜技术。

在光纤拉制方面，对系统进行了设计，如图2，CO₂激光由CO₂激光器(1)射出后，经激光扩束镜的扩束，光束直径变大，光束通过涂有对CO₂激光具有透过性而对氦氖激光反射的半透半反射镜(3)后入射到平面反射镜(4)上，经过反射，光线再传播到凸面反射镜(5)上，经凸面反射镜(5)的反射，平行激光变为扩散的光束，入射到凹面反射镜(6)上，光束经凹面反射镜(6)的反射最终入射到椭球反光镜(9)上，再经椭球反光镜(9)的反射会聚到一点，即椭球反光镜(9)的第一个焦点处。凹面反射镜(6)的中间开有圆孔，为了使其CO₂激光能完全入射到凸面反射镜(5)上，其圆孔大小正好是经过扩束后的CO₂激光光束直径的大小。氦氖激光器(2)在系统中起光线准直的作用。将晶体源棒(8)固定在夹具(7)上，晶体源棒的上端对准椭球反光镜(9)的第一个焦点处，由于激光的加热，晶体源棒在椭球反光镜(9)的第一个焦点处形成熔区，夹具(10)上装有籽晶，将籽晶点如熔区，向上拉起形成单晶光纤。

在光纤镀膜方面，我们采用激光溅射沉积镀膜系统。如图3，整个脉冲激光溅射沉积镀膜过程分为三个阶段。第一阶段激光通过聚焦透镜和激光窗照射在基片的表面。基片受转动控制系统的控制下转动，使其受热均匀。在足够高的能量密度下和短的脉冲时间内，基片吸收激光能量并使光斑处的温度迅速升高至基片的蒸发温度以上而产生区域化的高温高密度的等离子体。第二阶段等离子体形成后，其与激光束继续作用，进一步电离，等离子体的温度和压力迅速升高，并最终迅速形成了一个沿法线方向向外的细长的等离子体羽辉。第三阶段将光纤探针靶材伸入到等离子体羽辉内部，使得激光等离子体中的高能粒子轰击靶材表面，最终等离子体在靶材上成核、长大形成薄膜。而整个光纤探针靶材在基体转动机构的控制下不断进行旋转，使得光纤探针前端形成均匀的薄膜。

形成的黑体腔光纤如图4所示，其中黑体腔的结构尺寸，为L/D＝10左右，D为圆柱感温腔的直径，L为圆柱的长度；我们在长度为90mm的光纤上镀膜形成的黑体腔长度为10mm左右，膜的厚度为10-20μm。

实施例2

本实施例介绍光纤总温传感器的结构设计，为了减小速度误差我们采用带有半屏状滞止罩光纤温度传感器，如图5所示。

在传感器的外面加装了一个圆筒形屏蔽滞止罩，形成一个滞止室(11)，气流从进气口(12)进入滞止室11，在滞止室11中受到第一次阻滞，流速下降，气流的动能受到第一次转换，在滞止室11内，低速流动的气流又受到光纤探针(13)的第二次阻滞，使气流的大部分动能转换成热能，最终在出气口(16)流出。这样气流在滞止室11内经过的两次滞止，可以极大地提高提高复温系数，并能在被测气流速度波动的一定范围内保持提高复温系数值不变或变化极小。

总温传感器具体安装方法见图5，其中光纤探针(13)的外面有一层蓝宝石保护管(17)，蓝宝石保护管(17)和传感器底塞(15)是通过螺纹(14)来固定在滞止室内部的。整个传感器滞止罩的下端开有2个螺母孔，通过螺母可以将其安装固定在航空发动机燃烧室的内壁上。滞止罩的内部中间的孔径是开有螺丝纹的，正好固定黑体腔光纤的保护管相匹配，通过这些螺丝纹可以将光纤传感器固定在传感器的滞止罩内构成光纤总温传感器。

滞止室(11)的外径为12mm，内径为10mm，长度为52mm；在距滞止室(11)顶端(即远离底塞15的一端)3mm处，开有圆形进气口12，进气口12半径大小为10mm。传感器的出气口16位于滞止室(11)直径方向正对进气口12的另一端，距滞止室(11)顶端20mm，半径大小为5mm；底塞15顶端距滞止室(11)顶端的距离为25mm；光纤探针13直径0.9mm，距离滞止室(11)顶端的距离为20mm。

实施例3

本实施例介绍发明所采用的光纤布拉格光栅代替传统的滤光片，实现两种不同波长的窄带滤波，再由光纤三端环形器将光波传输到光电探测器。

基于光纤布拉格光栅的全光纤比色测温方法，其原理如图6所示；光纤总温传感器接收的光谱经过传输光纤的传递到达第一三端环形器的1→2端口耦合到FBG1的入射端，FBG1的反射光波由第一三端环形器的2→3端口将波长为λ₁的光传输到光电探测器1，进行光电转换；同样，FBG1的透射光谱由第二三端环形器的1→2端口传输到FBG2的入射端，由FBG2产生的反射光波波长为λ₂，它经过第二三端环形器的2→3端口到达光电探测器2，这两个光电探测器完成光电转换得到两种不同波长的电信号，两个不同波长的电信号经过信号处理电路经比色测温后，得到所测的温度值。该方法具有全光纤传输、安装调试方便和便于集成的优点。

实施例4

本实施例介绍气流总温测量中使用的比色测温，其测温原理见图1；

将光纤总温传感器安放在被测气流场中，其传感器滞止罩内部的黑体腔光纤探测到温度信号，通过传输光纤将信号发送到光纤布拉格光栅进行滤波后，将信号传给光电探测器，完成光电转换得到两种不同波长的电信号，两不同波长的电信号经过信号处理电路处理后，传给数据采集系统，最后经过处理显示所得到温度值。

其中光纤测温的基本理论是黑体腔辐射理论和比色法测温理论，原理叙述如下：

热力学温度为T的非黑体物质，其辐射及分布有Planck辐射定律描述：

$M(\mathrm{\λ},T)=\frac{\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)\·c_1}{{\mathrm{\λ}}^5(e^{c_2/\mathrm{\λT}}-1)}---\left(1\right)$

式中：M(λ，T)为光谱在温度为T时波长λ的单色辐射出射度；ε(λ，T)为物体在波长λ的光谱发射率；其中c₁＝2πhc²＝3·74×10^-16(Wm²)为第一辐射常数；c₂＝hc/k＝1.44×10^-2(m·K)为第二辐射常数。当

时，普朗克可由维恩公式近似代替，可简化为：

$M(\mathrm{\λ},T)=\frac{\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)\·c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\·e^{c_2/\mathrm{\λT}}}---\left(2\right)$

这样可以使讨论和计算大大简化。

比色测温就是根据物体在两个相邻波长下的辐射出射度的比值来确定物体温度的。设温度为T的高温物体在波长为λ₁，λ₂下的单色辐射出射度分别为M(λ₁，T)，M(λ₁，T)，则波长λ₁，λ₂处辐射功率的比值R(T)：

$R\left(T\right)=\frac{M({\mathrm{\λ}}_1,T)}{M({\mathrm{\λ}}_2,T)}=\frac{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_1,T)}{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_2,T)}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}\right)}^5\exp \left[\frac{C_2}{T}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})\right]---\left(3\right)$

当假设两波长的光谱发射率ε(λ₁，T)≈ε(λ₂，T)时，

$R\left(T\right)={\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}\right)}^5{e}^{\frac{C_2}{T}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})}---\left(4\right)$

此时测得的温度就叫做比色温度T_c，物体的真实温度T与比色温度T_c的误差为：

$\frac{1}{T}-\frac{1}{T_c}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{C_2({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}\ln \left(\frac{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_1,T)}{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_2,T)}\right)---\left(5\right)$

在已知两波长的情况下，知道R(T)就能得到比色温度T_c，再经发射率修正就可以知道物体的实际温度。这种测温方法精度高，抗干扰能力强，所以比色测温是辐射测温中提高测温精度的有效方法。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于测量高速气流总温的光纤总温传感器，其特征在于，在传感器的外面加装一圆筒形滞止室(11)，气流从进气口(12)进入滞止室(11)，在滞止室(11)中受到第一次阻滞，流速下降，气流的动能受到第一次转换，在滞止室(11)内，低速流动的气流又受到光纤探针(13)的第二次阻滞，使气流的大部分动能转换成热能，最终在出气口(16)流出。

2.根据权利要求1所述的光纤总温传感器，其特征在于，滞止室(11)的外径为12mm，内径为10mm，长度为52mm；在距滞止室(11)顶端3mm处，开有圆形进气口(12)，进气口(12)半径大小为10mm；传感器的出气口(16)位于滞止室(11)直径方向正对进气口(12)的另一端，距滞止室(11)顶端20mm，半径大小为5mm；底塞(15)顶端距滞止室(11)顶端的距离为25mm；光纤探针(13)直径0.9mm，距离滞止室(11)顶端的距离为20mm。

3.根据权利要求1所述的气流总温测试系统，其特征在于，光纤探针(13)的外面有一层蓝宝石保护管(17)，蓝宝石保护管(17)和传感器底塞(15)通过螺纹(14)固定。

4.根据权利要求1所述的光纤总温传感器，其特征在于，通过脉冲激光溅射沉积法对光纤探针(13)前端进行镀膜，制作成光纤黑体腔。

5.根据权利要求1-4任一所述光纤总温传感器的气流总温测试系统，其特征在于，所述光纤总温传感器接收的光谱经过传输光纤的传递到达第一三端环形器的1→2端口耦合到FBG1的入射端，FBG1的反射光波由第一三端环形器的2→3端口将波长为λ₁的光传输到光电探测器(1)，进行光电转换；同样，FBG1的透射光谱由第二三端环形器的1→2端口传输到FBG2的入射端，由FBG2产生的反射光波波长为λ₂，该反射光波经过第二三端环形器的2→3端口到达光电探测器(2)，这两个光电探测器完成光电转换得到两种不同波长的电信号，两个不同波长的电信号经过信号处理电路经比色测温后，得到所测的温度值。

6.根据权利要求5所述的气流总温测试系统，其特征在于，所述比色测温的方法为：

设温度为T的高温物体在波长为λ₁，λ₂下的单色辐射出射度分别为M(λ₁，T)，M(λ₁，T)，则波长λ₁，λ₂处辐射功率的比值R(T)：

$R\left(T\right)=\frac{M({\mathrm{\λ}}_1,T)}{M({\mathrm{\λ}}_2,T)}=\frac{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_1,T)}{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_2,T)}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}\right)}^5\exp \left[\frac{C_2}{T}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})\right]---\left(3\right)$

当假设两波长的光谱发射率ε(λ₁，T)≈ε(λ₂，T)时，

$R\left(T\right)={\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}\right)}^5{e}^{\frac{C_2}{T}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})}---\left(4\right)$

此时测得的温度就叫做比色温度T_c，物体的真实温度T与比色温度T_c的误差为：

$\frac{1}{T}-\frac{1}{T_c}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{C_2({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}\ln \left(\frac{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_1,T)}{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_2,T)}\right)---\left(5\right)$

在已知两波长的情况下，知道R(T)就能得到比色温度T_c，再经发射率修正就可以知道物体的实际温度。

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